平原水库土石坝穿坝建筑物三维渗流稳定分析

王 毅，张 诚，钟 静

( 1.淮安市淮河水利建设工程有限公司，江苏 涟水 223400；2.江苏淮阴水利建设有限公司，江苏 淮安 223001；3.江苏运玛项目管理有限公司，江苏 淮安 223400)

为了解决北方部分地区水资源短缺的问题，我国在平原地区兴建了大量的平原水库，极大地缓解了缺水地区的生活和灌溉用水需求。平原水库的功能是调控蓄水，所以通常与输水建筑物、进水建筑物和泄水建筑物有机结合。穿坝涵管是一种常见的输水、泄水建筑物，由于穿坝涵管一般由砌石或者混凝土组成，是一种刚性建筑物，与土石坝的结构组成有很大差异，所以坝体-涵管接触面在库水位的作用下，常常会发生接触冲刷破坏，导致坝体漏水、坝坡下游浸水、周围土地盐碱化等病害，严重的会威胁大坝的安全稳定[1- 4]。

平原水库土石坝与穿坝涵管接触冲刷破坏本质上是土-结构接触面的破坏问题。陈建生等[2]提出了针对均质各向同性地层渗透性的概化和计算模型，模拟了砂砾石层与黏土层接触冲刷发展过程中水头和渗透系数的变化、沿流线方向上水力坡降的变化规律。王亚辉[5]以有限元软件ABAQUS为工具，研究了坝下涵管有无截水环和截水环在什么位置对坝体渗流的影响。王保田等[6]通过试验模拟研究带有悬挂式防渗墙的二元结构地基的渗流特性。陈群等[7]利用自主研制的环状径向水平渗透仪，研究了砂砾石与砂的接触面渗流和渗透破坏的影响因素及接触冲刷的发生、发展过程。姜伏伟[8]、范德吞[9]、陶同康等[10]提出了无黏性土层间的接触冲刷水力坡降计算公式。邓伟杰[11]、刘建刚[12]提出了黏性土层和砂砾石层接触冲刷的临界水力坡降计算公式。文章在前人研究的基础上，以某土石坝埋管坝段为工程背景，利用数值模拟软件ABAQUS对涵管坝段的渗流场进行数值模拟，以期为工程实践提供参考。

1 数值模拟

1.1 渗流基本理论

1856年，法国工程师Darcy[13- 14]通过试验研究了水在沙土中的流动，提出如下关系式：

(1)

式中，Q—流量， m3/s；k—渗透系数，m/s；A—过流面积，；J—渗透坡降；v—断面平均流速，m/s；H—水流降低高度，m；s—水流流过的水平距离，m。

1.2 计算模型及材料参数

1.2.1计算模型

某平原水库围坝为复合土工膜防渗体斜墙砂壤土均质坝，围坝轴线全长9636m，坝顶高程为15.0m，正常蓄水位为12.50m，死水位为3.90m，坝顶宽7.5m。供水洞采用坝下涵管，型式为2.5m×2.5m的单孔钢筋混凝土箱涵，进口底高程为3.0m，洞底平坡。为研究方便，在涵管周围设置了0.5m厚的土层，改变该土层的渗透系数来模拟涵管周围回填土的填筑质量，并考虑在涵管沿水流方向的顶部和底部设置截水环。涵管坝段的三维模型如图1所示。

图1 涵管坝段典型三维网格图

1.2.2材料参数

表1 涵管坝段的渗流参数

除此以外，在ABAQUS中模拟渗流还需要设置折减系数与土体饱和度的关系以及基质吸力与饱和度的关系，如图2所示。

图2 渗流参数关系图

边界条件：坝段的上游面施加孔压力边界，正常蓄水位为9.00m，下游面设为排水边界，其余面默认为不透水边界，固定所有单元节点的三向位移。

2 计算结果分析

为了研究涵管横向裂缝对涵管周围土体渗流场的影响，考虑涵管周围0.5m土体的渗透系数分别为10-6、5×10-7、10-7、5×10-8m/s，以及未设置截渗环四种工况下，研究涵管周围土体的渗流要素变化规律。

由图3可知，当涵管出现横向裂缝时，涵管顶部接触土体的渗流速度呈台阶型变化规律：涵管顶部接触土体的渗流速度沿涵管纵轴线从上游到下游先不断增大，到达第一个裂缝时渗流速度达到最大值，之后急剧减小，再缓慢增加，到达第二个断裂缝时急剧增加，之后急剧减小，再缓慢增加。随着涵周填土渗透系数的不断增大，裂缝处的渗流速度也在不断增大。当涵周填土的渗透系数为10-7m/s时，相比于完整的涵管，涵管出现横向裂缝时，涵管顶部接触土体的渗流速度在裂缝处出现骤升骤降现象，渗流速度最大值发生在第一个裂缝处，出口处的渗流速度非常小。这可能是因为裂缝处孔压力几乎为零，裂缝周围的土颗粒被吸到涵管内，使得该处土颗粒的渗流速度发生急剧变化：对于裂缝上游侧的土颗粒来说，渗流速度受到同向的吸力作用，所以急剧增大，对于裂缝下游侧的土颗粒来说，渗流速度受到反向的吸力作用，所以急剧减小。

图3 涵管顶部接触土体渗流流速图

由图4可知，当涵管断裂时，涵管底部接触面土体的渗流速度从上游到下游总体呈不断增大的变化规律，在裂缝处也出现骤升骤降现象：涵管底部接触土体地渗流速度沿涵管纵轴线从上游到下游先不断增大，到达第一个断裂缝时渗流速度达到最大值，之后急剧减小，再缓慢增加，到达第二个断裂缝时急剧增加，之后急剧减小，再缓慢增加。随着涵周填土渗透系数的不断增大，裂缝处的渗流速度也在不断增大。当涵周填土的渗透系数为10-7m/s时，相比于完整的涵管，涵管出现横向裂缝时，涵管底部接触土体的渗流速度在裂缝处出现骤升骤降现象，渗流速度最大值发生在第一个裂缝处，出口处的渗流速度小于完整涵管下的渗流速度。

图4 涵管底部接触土体渗流流速图

由图5可知，当涵管断裂时，涵管顶部土体的孔压力从上游到下游总体呈不断减小的变化规律，在裂缝处出现“折断”现象：涵管顶部接触土体在裂缝处先减小后突然增大。随着涵周填土渗透系数的不断增大，进口处初始孔压力不断减小，并沿程保持这种变化。当涵周填土的渗透系数为10-7m/s时，涵管完整时涵管顶部接触土体的孔压力沿程大于涵管断裂时的孔压力，出口处二者的孔压力差别最小。

图5 涵管顶部接触土体孔压力图

由图6可知，当涵管断裂时，涵管底部土体的孔压力从上游到下游总体上呈不断减小的变化规律，在裂缝处出现“折断”现象：涵管底部接触土体的孔压力在裂缝处先减小后突然增大。随着涵周填土渗透系数不断增大，进口处初始孔压力不断减小，但是差别很小。当涵周填土的渗透系数为10-7m/s时，涵管完整时涵管顶部接触土体的孔压力沿程与涵管断裂时的孔压力几乎一致。

图6 涵管底部接触土体孔压力图

由图7可知，当涵管断裂时，涵管顶部土体的渗透坡降呈台阶型的变化规律：涵管顶部接触土体的渗透坡降沿涵管纵轴线从上游到下游先不断增大，到达第一个断裂缝时渗透坡降达到最大值，之后急剧减小，再缓慢增加，到达第二个断裂缝时急剧增加，之后急剧减小，再缓慢增加。随着涵周填土渗透系数的不断增大，裂缝处的渗透坡降也在不断增大。当涵周填土的渗透系数为10-7m/s时，相比于完整的涵管，涵管出现横向裂缝时，涵管顶部接触土体的渗透坡降在裂缝处出现骤升骤降现象，渗透坡降最大值发生在第一个裂缝处，为0.2，出口处的渗透坡降非常小。

图7 涵管顶部接触土体渗透坡降图

由图8可知，当涵管断裂时，涵管底部土体的渗透坡降从上游到下游总体上呈不断增大的变化规律，在裂缝处出现骤升骤降现象：涵管底部接触土体的渗透坡降沿涵管纵轴线从上游到下游先不断增大，到达第一个断裂缝时渗透坡降达到最大值，之后急剧减小，再缓慢增加，到达第二个断裂缝时急剧增加，之后急剧减小，再缓慢增加。随着涵周填土渗透系数的不断增大，裂缝处的渗透坡降也在不断增大。当涵周填土的渗透系数为10-7m/s时，相比于完整的涵管，涵管出现横向裂缝时，涵管底部接触土体的渗透坡降在裂缝处出现骤升骤降现象，渗透坡降最大值发生在第一个裂缝处，为1.53，出口处的渗透坡降略小于完整涵管下的渗透坡降。对比涵管断裂时涵管顶部和底部接触土体在裂缝处的渗透坡降可知，裂缝处的渗透坡降要比其他部位大很多。由于断裂处渗透坡降大，接触面的土颗粒不断地被吸到涵管内，使得接触面的土颗粒不断减少，久而久之形成渗漏通道，加速坝体的渗透破坏。

图8 涵管底部接触土体渗透坡降图

由图9可知，随着涵周填土渗透系数的不断增大，坝段的渗透量不断减小，分析裂缝处的渗透坡降可知，这是因为渗透系数越大，更多的渗水流进涵管内，所以坝段土体的渗流量减小。

图9 涵管坝段渗透量

3 结论

(1)当涵管出现横向裂缝时，涵管顶部接触土体的渗流速度沿涵管纵轴线从上游到下游先不断增大，到达第一个裂缝时渗流速度达到最大值，之后急剧减小，再缓慢增加，到达第二个断裂缝时急剧增加，之后急剧减小，再缓慢增加。

(2)涵管断裂后涵管顶部和底部接触土体处的渗透坡降发生急剧变化，大大超过土体的允许坡降，随着时间的推移，将会发生渗透破坏。

(3)涵管断裂后产生的渗透破坏会大大影响该坝段的安全稳定性，在日常维护过程中应该多注意涵管坝段下游的渗漏量，做好预防工作。